Процессы и аппараты химической технологии. Тема 4. Разделение гетерогенных смесей

1. Процессы и аппараты химической технологии Модуль 2. Гидромеханические ПАХТ Тема 4. Разделение гетерогенных смесей.

Бронская Вероника Владимировна,
Процессы и аппараты
химической
технологии
Модуль 2.
Гидромеханические ПАХТ
Тема 4. Разделение
гетерогенных смесей.
к.т.н., доцент кафедры ПАХТ ФГБОУ ВО «КНИТУ»
Малыгин Александр Владимирович, к.т.н., доцент
кафедры ПАХТ ФГБОУ ВО «КНИТУ»

2. НЕОДНОРОДНЫЕ СИСТЕМЫ

Неоднородными (гетерогенными) называются системы, состоящие из двух или нескольких фаз.
Фаза, которая состоит из отдельных мелких частиц, называют дисперсной (внутренней) фазой.
Фаза, в которой распределены мелкие частицы (дисперсная фаза),называется сплошной фазой, или
дисперсионной средой.
Классификация неоднородных
систем
Агрегатное состояние фаз
Размер частиц дисперсной фазы
2

3. НЕОДНОРОДНЫЕ СИСТЕМЫ

Классификация:
1. Сплошной фазой является жидкость:
а) дисперсной фазой являются твердые частицы – суспензии. По размерам частиц:
грубые (более 100 мкм);
тонкие (0,5 – 100 мкм);
мути (0,1-0,5 мкм);
коллоидные растворы – переход от суспензий к истинным растворам;
б) дисперсной фазой является жидкость (капли), которая не растворима в сплошной фазе – эмульсии.
Возможна инверсия фаз;
в) дисперсной фазой является газ (пузырьки) – пены. Эти газожидкостные системы по своим свойствам
близки к эмульсиям.
3

4. НЕОДНОРОДНЫЕ СИСТЕМЫ

2. Сплошной фазой является газ:
а) дисперсной фазой являются твердые частицы – газовзвеси. По размерам частиц:
пыли (более 5 мкм),
дымы (менее 5 мкм);
б) дисперсная фаза состоит из частиц жидкости – туманы (0,3 – 5 мкм)
Пыли, дымы и туманы носят общее название - аэрозоли
Дисперсные системы, содержащие различные по размеру частицы, называются полидисперсными, а системы,
размеры частиц которых близки между собой - монодисперсными.
Устойчивые неоднородные системы, т.е. способны существовать относительно длительное время (тонкие
суспензии, эмульсии, дымы, туманы), неустойчивые (грубые суспензии и др.).
4

5. Методы разделения неоднородных систем

Осаждение – это процесс разделения неоднородных систем за счет различного действия сил на элементы
сплошной и дисперсной фаз. В зависимости от действующих сил можно выделить виды осаждения: под действием
силы тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс, центрифугирование), электростатических
сил (очистка газов в электрическом поле).
Фильтрование – это процесс разделения при помощи пористой перегородки, способной пропускать жидкость или
газ, но задерживать взвешенные в них твердые частицы. Движущей силой является разность давлений. Если
разность давления создается под действием центробежной силы, процесс называют центробежным
фильтрованием.
Мокрая очистка газов – это процесс улавливания взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание
осуществляется как под действием сил инерции, так и под действием сил тяжести.
Выбор метода разделения обуславливается:
1. размерами частиц дисперсной фазы;
3. разностью плотностей фаз;
2. вязкостью сплошной фазы;
4. требованиями к качеству
разделения.
5

6. Материальный баланс процессов разделения

Материальный баланс:
Gис , Gосв , Gос – массовые расходы исходной смеси, очищенной (осветленной)
сплошной фазы, осадка (сгущенной дисперсной фазы), кг/с;
хис , хосв , хос – массовые доли дисперсной фазы в исходной смеси, в очищенной
сплошной фазе и в осадке.
Gис Gосв Gос
Gис хис Gосв хосв Goc хос
х хис
Gосв Gис ос
хос хосв
Gос Gис
хис хосв
хос хосв
Эффективность процесса разделения по степени очистки (в %) газа или жидкости
хис хосв
100
хис
6

7. ОСАЖДЕНИЕ

ОСАЖДЕНИЕ
Сила тяжести:
Электростатическая сила:
1. Отстаивание
1. Электроосаждение
Центробежная сила:
1.Циклонный процесс
2. Осадительное центрофугирование
7

8. ОТСТАИВАНИЕ

Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой:
1 – корпус; 2 – коническое днище; 3 – гребковая мешалка;
4 – кольцевой желоб; 5 – труба; 6 – разгрузочный
патрубок
Отстойник непрерывного действия с
коническими полками
«+»
большая поверхность;
нет движущихся частей
«-»
большая влажность шлама
8

9. ОТСТАИВАНИЕ

Отстойник непрерывного действия для разделения
эмульсий: 1 – корпус; 2 – перфорированная
перегородка
Пылеосадительная камера: 1 – корпус; 2 – полки; 3
– отражательная перегородка; 4 – люки для
удаления пыли
9

10. ОТСТАИВАНИЕ

L
b
Расчет отстойников
Wп
Производительность отстойника по осветленной жидкости:
Vосв Wпbh
Wп
h – высота слоя осветленной жидкости (м);
Время прохождения t суспензией отстойника составит:
Время отстаивания t :
h
L
Lbh
t
Wос,c
Wп
Vосв
Расчетная поверхность
осаждения
F
расч
- скорость потока вдоль аппарата
t
L
Wп
Vосв Wос,c Lb Wос,c F
Vосв
Gосв
Gис
хос хис
Wос,c
освWос,c
освWос,c хос хосв
WOC,C - скорость осаждения
частицы (м/с)
F=Lb – поверхность отстойника
(м2)
F (1.3 1.4) F расч
10

11. Осаждение под действием центробежных сил

Для создания поля центробежных сил используют два способа:
1) обеспечивают вращательное движение потока в неподвижном аппарате; такой процесс
разделения называется циклонным, а аппарат для его осуществления – циклоном;
2) поток направляют во вращающийся аппарат, этот способ разделения называют осадительным
центрифугированием; а аппараты, в которых он осуществляется, – осадительными
центрифугами.
Фактор разделения
окружная скорость
maц
aц
Kp
mg
g
угловая скорость
Wr2
( r ) 2
(2 nr ) 2
ац
r
r
r
4 2 n 2 r
2 r
Kp
g
g
K p 102
- циклоны
K p 3*103 - центрифуги
Движущая сила процесса осаждения в циклонах и центрифугах на 2 - 3 порядка больше, чем в отстойниках.
11

12. Осаждение под действием центробежных сил

Вид сверху
1
4
6
Wr2
( r ) 2
(2 nr ) 2
ац
r
r
r
Циклон конструкции НИИОгаз: 1 – корпус; 2 –
днище; 3 – крышка; 4 – патрубок для входа
запыленного газа (20-30 м/с); 5 – сборник для
пыли; 6 – выхлопная труба
Батарейный циклон: 1 – корпус; 2 –
патрубок для входа запыленного газа; 3
– распредели-тельная камера; 4 –
трубная
решетка;
5 – элементный циклон; 6 – патрубок
отвода очищенного газа; 7 – бункер для
пыли
Устройство элемента батарейного
циклона: 1 – корпус; 2 – выхлопная
труба; 3 – закручивающее устройство;
4 – пылеотводящий патрубок
12

13. Осаждение под действием центробежных сил

Расчет циклонов
Должно быть задано: 1) расход газа
очистки.
; 2) фракционный
состав пыли; 3) начальная концентрация пыли в газе; 4) степень
Vц
1. По таблицам ориентировочно выбирают тип нормализованного циклона.
2. Задаются значением
p
для циклонов типа НИИОгаз
3. По принятым значениям
2
p
500 750 м 2
с
p и исходя из формулы
ц
Wц2
p ц
2
вычисляют оптимальное значение фиктивной скорости газа в циклоне Wц
1/ 2
Vц
4. Определяют диаметр циклона
Dц 2
W
ц
5. По нормалям для вычисленного значения Dц определяют все остальные
размеры циклона.
6. По справочным данным для выбранного циклона определяют степень очистки, если она не удовлетворяет требуемой, по
пересчитывают на меньший диаметр циклона Dц
13

14. Осаждение под действием центробежных сил

Осадительные центрифуги
Осадительные центрифуги применяются для разделения суспензий с объемной концентрацией твердой фазы до
40%, состоящей из частиц размером более 1 мкм.
В результате центрифугирования получаются осадок с некоторым содержанием жидкой фазы и осветленная
жидкость – фугат.
Классификация центрифуг:
1. по организации процесса: непрерывного и периодического действия;
2. по расположению вала ротора: на горизонтальные, вертикальные и наклонные;
3. по способу выгрузки осадка: на центрифуги с ручной, шнековой, гравитационной и другими способами выгрузки.
Осадительные центрифуги применяемые для разделения эмульсий называются сепараторами, а процесс разделения –
сепарацией.
14

15. Осаждение под действием центробежных сил

Осадительные центрифуги для
разделения суспензий
«-»
-низкая производительность;
- ручная выгрузка осадка.
Осадительная центрифуга периодического действия: 1 – барабан
(ротор) со сплошной стенкой; 2 – суспензия; 3 – осадок; 4 – вывод
осветленной жидкости (фугата); 5 – ввод суспензии;
6 –
неподвижный кожух; D – внутренний диаметр барабана; H – высота
барабана; D0 – диаметр жидкостного кольца
15

16. Осаждение под действием центробежных сил

Осадительные центрифуги для разделения суспензий
«+»
«-»
- непрерывность работы;
- высокая производительность;
- разделение суспензии с большой
концентрацией дисперсной фазы.
- высокое содержание жидкости в
осадке и твердой фазы в фугате;
- значительный расход энергии на
разделение.
Схема осадительной горизонтальной центрифуги непрерывного действия со
шнековой выгрузкой осадка:
1 - конический барабан; 2 - внутренний барабан; 3 - полый внешний вал; 4 лопасти шнека; 5 - полый внутренний вал; 6 - кожух; 7 - окна во внутреннем
барабане.
16

17. Осаждение под действием центробежных сил

Осадительные центрифуги для разделения эмульсий
Тарельчатый сепаратор делит смесь на несколько
слоев, что уменьшает длину пути осаждения частиц.
Схема барабана (ротора) сепаратора:
1 - барабан (ротор); 2 – тарелки.
17

18. Осаждение под действием центробежных сил

Расчет производительности осадительной центрифуги
ρ1, ρ2 – плотности твердой
частицы и жидкости
Скорость осаждения
dr
( 1 2 ) d 2 g 2 r
Wц
dt
18
g
dt
18
dr
( 1 2 )d 2 2 r
Время осаждения toc наименьшей частицы диаметром d
R
18
dr
18
ln
2
2
r
( 1 2 ) d 2 2
R0
R ( 1 2 ) d
R
toc
0
Время пребывания tп в барабане центрифуги
tП
Vp
t OС
V
Vp – рабочий объем барабана, равный объему жидкостного
кольца в нем.
( D 2 D02 ) Н
V
tп
4toc
Vp
- предельное значение объемного расхода
D – внутренний диаметр барабана;
H – высота барабана; D0 – диаметр
жидкостного кольца
18

19. Заключение

В лекции освещены следующие темы:
1.Методы разделения неоднороных систем
2.Процессы и аппараты разделения неоднородных
систем
19